本發(fā)明屬于納米碳材料，具體涉及一種具有圖靈表面的n,s共摻雜中空碳球及制備方法。

背景技術(shù)：

1、圖靈結(jié)構(gòu)又稱時(shí)空穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，通常產(chǎn)生于遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡的反應(yīng)擴(kuò)散過程。它們也廣泛存在于自然界中，如樹葉的葉脈和沙漠的波紋。由于其獨(dú)特的靜態(tài)特性，圖靈結(jié)構(gòu)在生物學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。根據(jù)a.m.turing提出的“反應(yīng)—擴(kuò)散”模型，研究人員已經(jīng)制備了各種各樣的圖靈結(jié)構(gòu)，其中由條紋組成的迷宮圖案具有高度彎曲的特征，使材料具有較大的比表面積和豐富的晶態(tài)/非晶態(tài)界面。這些圖靈結(jié)構(gòu)在生物、材料、能源及催化等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。然而，目前構(gòu)建圖靈結(jié)構(gòu)主要在同質(zhì)或異質(zhì)溶液體系中實(shí)現(xiàn)的，導(dǎo)致圖靈結(jié)構(gòu)種類少，且大量制備困難。本發(fā)明提供了一種在惰性氣氛中可量產(chǎn)的制備方法。與傳統(tǒng)中空碳球相比，具有圖靈表面碳球的比表面積有顯著提高，且含有豐富的晶態(tài)/非晶態(tài)界面，可以拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于為了提供一種在惰性氣氛下即可制備、能大量生產(chǎn)、形貌均勻的具有圖靈表面的n,s共摻雜中空碳球的方法。本發(fā)明首先以聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)為模板，在其表面進(jìn)行聚吡咯(ppy)的包覆，得到聚甲基丙烯酸甲酯@聚吡咯(pmma@ppy)納米球核殼結(jié)構(gòu)，再將pmma@ppy和硫粉共同在惰性氣氛中高溫煅燒，pmma受熱快速分解即可得到具有圖靈表面的n,s共摻雜中空碳球。制備得到的n,s共摻雜中空碳球表面有圖靈狀的凸起條紋，因此具有高的比表面積和豐富的晶態(tài)/非晶態(tài)界面，是一種簡單高效的圖靈結(jié)構(gòu)中空碳球的制作方法。

2、本發(fā)明提供了一種具有圖靈表面的n,s共摻雜中空碳球，所述n,s共摻雜中空碳球包括殼層以及中空內(nèi)腔，所述n,s共摻雜中空碳球的殼層表面結(jié)構(gòu)為圖靈結(jié)構(gòu)；所述n,s共摻雜中空碳球的粒徑為100～300nm，n,s共摻雜中空碳球的殼層厚度為10～20nm，比表面積為300～500m2/g。

3、進(jìn)一步地，所述n,s共摻雜中空碳球中摻雜氮原子占所有元素原子總和的原子比為3％～6％，摻雜硫原子占表面所有元素原子總和的原子比為4％～9％。

4、本發(fā)明又提供了一種具有圖靈表面的n,s共摻雜中空碳球的制備方法，包括以下步驟：

5、步驟1：將甲基丙烯酸甲酯、十二烷基硫酸鈉和引發(fā)劑溶解于水中，將混合溶液在惰性氣體保護(hù)下攪拌回流，進(jìn)行聚合反應(yīng)得聚甲基丙烯酸甲酯懸浮液；

6、步驟2：將步驟1得到的聚甲基丙烯酸甲酯懸浮液加入水中低溫?cái)嚢瑁蚓奂谆┧峒柞腋∫核芤褐械稳脒量├^續(xù)攪拌，向混合液中加入引發(fā)劑，進(jìn)行聚合反應(yīng)；將得到的產(chǎn)物洗滌、干燥，得聚甲基丙烯酸甲酯@聚吡咯；

7、步驟3：將步驟2得到的聚甲基丙烯酸甲酯@聚吡咯和硫粉在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行煅燒，得具有圖靈表面的n,s共摻雜中空碳球。

8、進(jìn)一步地，步驟1中，所述甲基丙烯酸甲酯、十二烷基硫酸鈉、引發(fā)劑和水的質(zhì)量體積比為3ml：1mg：24mg：35ml；所述引發(fā)劑為過硫酸鉀。

9、進(jìn)一步地，步驟1中，所述惰性氣體為氬氣，所述聚合反應(yīng)溫度為70～80℃，聚合反應(yīng)時(shí)間為4h。

10、進(jìn)一步地，步驟2中，所述低溫?cái)嚢铚囟葹?～4℃；所述滴入吡咯后攪拌時(shí)間為40min；聚甲基丙烯酸甲酯懸浮液的水溶液、吡咯與引發(fā)劑的體積比為43.2:1.2:1。

11、進(jìn)一步地，步驟2中，所述引發(fā)劑為過硫酸銨；所述引發(fā)劑以引發(fā)劑水溶液的形式加入；引發(fā)劑水溶液中引發(fā)劑濃度為7.5×10-3mol/l；所述聚合反應(yīng)溫度為0～4℃，聚合反應(yīng)時(shí)間為3h。

12、進(jìn)一步地，步驟2中，所述洗滌為蒸餾水和乙醇洗滌數(shù)次；所述干燥溫度為60～80℃，干燥時(shí)間為12h。

13、進(jìn)一步地，步驟3中，所述聚甲基丙烯酸甲酯@聚吡咯和硫粉的質(zhì)量比為1:10～40。

14、進(jìn)一步地，步驟3中，優(yōu)選地，所述聚甲基丙烯酸甲酯@聚吡咯和硫粉的質(zhì)量比為1:20。

15、進(jìn)一步地，步驟3中，所述惰性氣體為氬氣，煅燒溫度為800℃，煅燒時(shí)間為2h，加熱速率為2℃/min。

16、本發(fā)明的有益效果在于：

17、目前制備具有圖靈結(jié)構(gòu)的材料大部分需要在同質(zhì)或異質(zhì)溶液中進(jìn)行，形成特定的液-液界面，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作和環(huán)境要求較高。本發(fā)明只需在惰性氣氛中高溫煅燒即可制備得到具有圖靈結(jié)構(gòu)的中空碳球，同時(shí)，制備成本低，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)單次制備得到的產(chǎn)量可以達(dá)到克量級(jí)，可輕易地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備。形成的n,s共摻雜中空碳球具有較高的比表面積并含有豐富的晶態(tài)/非晶態(tài)界面。由于其特殊的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用在多種領(lǐng)域。

技術(shù)特征：

1.一種具有圖靈表面的n,s共摻雜中空碳球，其特征在于，所述n，s共摻雜中空碳球包括殼層以及中空內(nèi)腔；所述n,s共摻雜中空碳球的殼層表面結(jié)構(gòu)為圖靈結(jié)構(gòu)；所述n,s共摻雜中空碳球的粒徑為100～300nm，n,s共摻雜中空碳球的殼層厚度為10～20nm，比表面積為300～500m2/g。

2.一種具有圖靈表面的n,s共摻雜中空碳球的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種具有圖靈表面的n,s共摻雜中空碳球的制備方法，其特征在于，步驟1中，所述甲基丙烯酸甲酯、十二烷基硫酸鈉、引發(fā)劑和水的質(zhì)量體積比為3ml：1mg：24mg：35ml；所述引發(fā)劑為過硫酸鉀。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種具有圖靈表面的n,s共摻雜中空碳球的制備方法，其特征在于，步驟1中，所述惰性氣體為氬氣，所述聚合反應(yīng)溫度為70～80℃，聚合反應(yīng)時(shí)間為4h。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種具有圖靈表面的n,s共摻雜中空碳球的制備方法，其特征在于，步驟2中，所述低溫?cái)嚢铚囟葹?～4℃；所述滴入吡咯后攪拌時(shí)間為40min；聚甲基丙烯酸甲酯懸浮液的水溶液、吡咯與引發(fā)劑的體積比為43.2:1.2:1。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種具有圖靈表面的n,s共摻雜中空碳球的制備方法，其特征在于，步驟2中，所述引發(fā)劑為過硫酸銨；所述引發(fā)劑以引發(fā)劑水溶液的形式加入；引發(fā)劑水溶液中引發(fā)劑濃度為7.5×10-3mol/l；所述聚合反應(yīng)溫度為0～4℃，聚合反應(yīng)時(shí)間為3h。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種具有圖靈表面的n,s共摻雜中空碳球的制備方法，其特征在于，步驟2中，所述洗滌為蒸餾水和乙醇洗滌數(shù)次；所述干燥溫度為60～80℃，干燥時(shí)間為12h。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種具有圖靈表面的n,s共摻雜中空碳球的制備方法，其特征在于，步驟3中，所述聚甲基丙烯酸甲酯@聚吡咯和硫粉的質(zhì)量比為1:10～40。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述一種具有圖靈表面的n,s共摻雜中空碳球的制備方法，其特征在于，步驟3中，優(yōu)選地，所述聚甲基丙烯酸甲酯@聚吡咯和硫粉的質(zhì)量比為1:20。

10.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種具有圖靈表面的n,s共摻雜中空碳球的制備方法，其特征在于，步驟3中，所述惰性氣體為氬氣，煅燒溫度為800℃，煅燒時(shí)間為2h，加熱速率為2℃/min。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種具有圖靈表面的N,S共摻雜中空碳球及制備方法，屬于納米碳技術(shù)領(lǐng)域。該發(fā)明包括以下步驟：將一定量的甲基丙烯酸甲酯(MMA)，十二烷基硫酸鈉(SDS)和過硫酸鉀溶解于一定體積的水中，在氬氣中攪拌回流得到聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)懸浮液；將PMMA懸浮液的水溶液低溫水浴，滴加入一定量吡咯繼續(xù)攪拌均勻，加入過硫酸銨引發(fā)劑，使吡咯在PMMA納米球表面發(fā)生聚合，形成聚甲基丙烯酸甲酯@聚吡咯(PMMA@PPy)；將PMMA@PPy和硫粉在氬氣中高溫煅燒，即可得到具有圖靈表面的N,S共摻雜中空碳球。本發(fā)明只需在惰性氣氛中高溫煅燒即可制備具有圖靈結(jié)構(gòu)的中空碳球，同時(shí)，制備成本低，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)單次制備得到的產(chǎn)量可以達(dá)到克量級(jí)，可輕易地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備。

技術(shù)研發(fā)人員：陳玉金,馬梓倩,張瀟,朱春玲,閆峰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工程大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30